湛利華,李 杰,黃明輝,李炎光
(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410083)
蠕變時(shí)效成形是將蠕變和時(shí)效熱處理相結(jié)合的技術(shù),即材料在一定的溫度和外力作用下發(fā)生蠕變變形,同時(shí)進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化,得到所需形狀和性能的構(gòu)件[1?2]。該技術(shù)是為適應(yīng)大飛機(jī)對(duì)整體壁板零件的要求而發(fā)展起來(lái)的,主要用于制造飛機(jī)的上、下機(jī)翼壁板、機(jī)身壁板等構(gòu)件[2?3]。蠕變時(shí)效成形相對(duì)于常規(guī)的塑性成形,大大簡(jiǎn)化了加工流程,降低了鋁合金發(fā)生加工裂紋的概率,減少了構(gòu)件的殘余應(yīng)力水平,提高了構(gòu)件耐疲勞及抗應(yīng)力腐蝕性能[2,4]。
2524鋁合金是繼2024和2124鋁合金之后開(kāi)發(fā)出來(lái)的新型、綜合性能較好的 Al-Cu-Mg系高強(qiáng)高韌合金,是目前斷裂韌性和抗疲勞性能最優(yōu)異的航空高強(qiáng)Al-Cu-Mg合金,并已成功應(yīng)用于A340-600等大型客機(jī)[5?8]。國(guó)內(nèi)外對(duì) 2024和 2124鋁合金在蠕變時(shí)效成形方面有一些研究工作,但對(duì)于2524鋁合金在蠕變時(shí)效成形,特別是蠕變時(shí)效條件對(duì)穩(wěn)態(tài)蠕變速率及合金組織和性能的綜合影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本文作者通過(guò)單向拉伸蠕變時(shí)效成形試驗(yàn),研究了不同時(shí)效時(shí)間和實(shí)驗(yàn)應(yīng)力對(duì) 2524鋁合金高溫蠕變時(shí)效成形性能的影響,并探討了產(chǎn)生這些影響的原因。
實(shí)驗(yàn)所用2524鋁合金為某公司提供的熱軋板材,厚度為3.5 mm,其化學(xué)成分見(jiàn)表1。在電阻加熱爐內(nèi)進(jìn)行固溶處理,固溶再結(jié)晶溫度為498 ℃,用電位差計(jì)控制爐溫,溫度誤差控制在±3 ℃內(nèi),保溫時(shí)間為52 min;固溶結(jié)束立即進(jìn)行室溫水淬,淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間少于35 s;固溶處理后立即進(jìn)行蠕變時(shí)效實(shí)驗(yàn)。
蠕變時(shí)效實(shí)驗(yàn)是在 RWS50電子蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行,蠕變實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格遵照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 2039—1997[9])進(jìn)行。溫度由裝夾在試樣上的3個(gè)熱電偶測(cè)得。蠕變時(shí)效溫度為 190 ℃,蠕變時(shí)效時(shí)間分別為 4、8、12和16 h,蠕變實(shí)驗(yàn)應(yīng)力設(shè)計(jì)5組,分別為0、140、180、190和210 MPa。蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將試樣平放并空冷至室溫。
對(duì)蠕變實(shí)驗(yàn)后的樣品分別進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和微觀組織分析。試樣的拉伸實(shí)驗(yàn)在DDL100電子萬(wàn)能機(jī)上進(jìn)行,拉伸速度為2 mm/min。采用華銀HV?5小負(fù)荷維氏硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試,載荷為30 N,保載時(shí)間為15 s。試樣的透射樣品制備方法為:先將樣品機(jī)械減薄至0.08 mm左右,然后在MITⅡ型雙噴電解儀上進(jìn)行雙噴減薄,雙噴液采用30%(體積分?jǐn)?shù),下同)的硝酸,70%的甲醇,采用液氮冷卻,雙噴溫度為?35~?25 ℃,電壓為15~20 V,試樣穿孔后用無(wú)水乙醇清洗2~3 min。TEM分析在JEOL?2010型透射電鏡上觀察,加速電壓為200 kV。
表1 2524鋁合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 2524 aluminum alloy(mass fraction, %)
圖1所示為經(jīng)190 ℃時(shí)效4、8、12和16 h后不同實(shí)驗(yàn)應(yīng)力下試樣的蠕變應(yīng)變—時(shí)間的關(guān)系曲線。從圖1可以看出,時(shí)效時(shí)間和實(shí)驗(yàn)應(yīng)力均是蠕變發(fā)生的兩個(gè)重要因素。在恒溫下保持相同的時(shí)間時(shí),實(shí)驗(yàn)應(yīng)力越大,則蠕變變形量越大,如圖1中,時(shí)效時(shí)間為12 h時(shí),實(shí)驗(yàn)應(yīng)力為 140 MPa下的蠕變變形量為0.073%,而實(shí)驗(yàn)應(yīng)力為 210 MPa下的蠕變變形量為0.141%;同時(shí),在同一實(shí)驗(yàn)應(yīng)力和同一溫度下時(shí)效時(shí)間越長(zhǎng),蠕變變形量也越大。比如,在實(shí)驗(yàn)應(yīng)力為180 MPa時(shí),蠕變時(shí)效4 h時(shí)的變形量為0.051%,而蠕變時(shí)效16 h的變形量為0.095%。這可以解釋為在恒應(yīng)力的作用下,隨著時(shí)效時(shí)間的增加,晶界與第二相周圍的位錯(cuò)塞積程度增大,足以促使新的位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng),使得蠕變繼續(xù)進(jìn)行,合金的變形不斷產(chǎn)生。
在本實(shí)驗(yàn)中,蠕變曲線明顯分為兩個(gè)階段,第一階段為減速蠕變階段,隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),蠕變速率逐漸降低;此外,隨著實(shí)驗(yàn)應(yīng)力的增大,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間延長(zhǎng),此階段金屬的蠕變主要靠位錯(cuò)滑移。當(dāng)應(yīng)力較小(如 140 MPa)時(shí),蠕變的第一階段持續(xù)時(shí)間較短(約為1.25 h);相應(yīng)地,當(dāng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力較大(如210 MPa)時(shí),蠕變的第一階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)(約為2 h)。第二階段為恒速蠕變階段,此階段蠕變速率基本保持穩(wěn)定;在相同的時(shí)效時(shí)間內(nèi),隨實(shí)驗(yàn)應(yīng)力的增加,蠕變的第二階段持續(xù)時(shí)間較短[10]。由圖1還可以發(fā)現(xiàn),隨著實(shí)驗(yàn)應(yīng)力的增加,合金第二階段的穩(wěn)態(tài)蠕變速率也在增加,這可以解釋為,隨著應(yīng)力的增加,位錯(cuò)密度也相應(yīng)地增大。位錯(cuò)密度的增大,為合金的蠕變過(guò)程提供了更多的可動(dòng)位錯(cuò),因此穩(wěn)態(tài)蠕變速率也越高。
另外,由圖1可以發(fā)現(xiàn),在190 ℃、實(shí)驗(yàn)應(yīng)力為210 MPa、時(shí)效時(shí)間為12 h的實(shí)驗(yàn)條件下,該合金蠕變變形量達(dá)到0.166%,遠(yuǎn)大于相關(guān)文獻(xiàn)中報(bào)道的2124鋁合金在該實(shí)驗(yàn)條件下的蠕變變形量(約為0.076%)[11]。由此可以發(fā)現(xiàn),在蠕變變形量方面 2524表現(xiàn)較為優(yōu)異,更適合于蠕變時(shí)效成形工藝。
圖1 2524鋁合金在190 ℃下的蠕變?cè)囼?yàn)曲線Fig.1 Creep ageing curves of 2524 aluminum alloys at 190 ℃
綜上所述,在本實(shí)驗(yàn)中合金的蠕變曲線分為兩個(gè)階段,其中第一階段持續(xù)時(shí)間很短,第二階段為恒速蠕變階段,此階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),由圖1可以看出,恒速蠕變階段合金的蠕變速率和實(shí)驗(yàn)應(yīng)力有關(guān)。其關(guān)系可以用由包含穩(wěn)態(tài)蠕變速率、蠕變溫度T和實(shí)驗(yàn)應(yīng)力σ之間的雙曲正弦函數(shù)模型表示[12]:
式中:)(σF為應(yīng)力函數(shù)。)(σF在不同的應(yīng)力水平時(shí)有相應(yīng)的表達(dá)形式,分別如下:
低應(yīng)力水平(ασ<0.8),
高應(yīng)力水平(ασ<1.2),
所有應(yīng)力水平,
對(duì)于溫度一定的蠕變實(shí)驗(yàn),在低應(yīng)力和高應(yīng)力條件下,將式(2)和(3)分別代入式(1),可得到:
式中:A1和A2為常數(shù)。
對(duì)式(5)和(6)分別取對(duì)數(shù)可得:
式中:n1和β分別為和曲線的斜率。
利用式(7)和(8),結(jié)合圖1所得到的穩(wěn)態(tài)蠕變階段的穩(wěn)態(tài)蠕變數(shù)據(jù)(統(tǒng)一取實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2~16 h),通過(guò)線性回歸處理,可得到如圖2所示190 ℃下的ln—σln和—σ的關(guān)系曲線。其中,由圖2(a)中直線的斜率可得 n1=1.351 56,由圖2(b)中直線的斜率可得 β=0.007 92。因此,對(duì)應(yīng)地可以求出 α=β/n1=0.005 86。
在同一溫度的實(shí)驗(yàn)條件下,將式(4)代入式(1),可得到:
對(duì)式(9)兩邊取對(duì)數(shù),可得到:
由式(10)可知,在一定的溫度下,對(duì)于所有條件下的應(yīng)力指數(shù),n為曲線— ln[sinh(ασ)]的斜率,ln A 為曲線— ln[sinh(ασ)]的截距,通過(guò)線性回歸處理,擬合得到ln[sinh(ασ)]的直線如圖3,由此得到 n=1.027 5,A=9.36×10?7。
圖2 穩(wěn)態(tài)蠕變速率與實(shí)驗(yàn)應(yīng)力σ的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between and σ
圖3 與ln[sinh(ασ)]的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between ln and ln[sinh(ασ)]
將所求的參數(shù)A、α和n代入式(9)得到2524鋁合金在190 ℃下,穩(wěn)態(tài)蠕變速率和實(shí)驗(yàn)應(yīng)力的本構(gòu)關(guān)系為
圖4所示為2524鋁合金經(jīng)190 ℃、實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分別為0和180 MPa下,蠕變時(shí)效4、8、12、16 h后的室溫時(shí)效硬化曲線。從圖4可以看出,在各應(yīng)力下時(shí)效8 h內(nèi),合金的硬度迅速增大,8 h后硬度增速變得緩慢,隨著時(shí)效時(shí)間從8 h增加到12 h時(shí),各應(yīng)力下的硬度基本上達(dá)到峰值。另外,由圖4還可知,在相同的時(shí)效時(shí)間下,合金的硬度隨著應(yīng)力的增加呈先增加后下降的趨勢(shì)。在180 MPa下,蠕變時(shí)效12 h時(shí),合金的硬度達(dá)到最大值,為176 HV。同一時(shí)效時(shí)間下,無(wú)應(yīng)力的常規(guī)時(shí)效與180 MPa下的蠕變時(shí)效相比,合金的硬度小得多,如12 h時(shí),無(wú)應(yīng)力時(shí)效的硬度僅為148.8HV。這可以解釋為,在時(shí)效初期由于應(yīng)力的作用,短時(shí)間內(nèi)在α(Al)基體中引入大量位錯(cuò),這為第二相的不均勻形核提供了形核位置,促進(jìn)了強(qiáng)化相的快速析出[13]。隨著時(shí)效時(shí)間的增加,α(Al)基體中析出的亞穩(wěn)態(tài)第二相(S′)長(zhǎng)大為粗大的穩(wěn)態(tài)相(S相),即合金進(jìn)入了過(guò)時(shí)效階段,導(dǎo)致合金的硬度開(kāi)始下降。
圖4 試樣在190 ℃下蠕變時(shí)效后的硬度曲線Fig.4 Hardness curves of samples by creep ageing at 190 ℃
合金固溶淬火后,分別在 0、140、180、190和210 MPa 5組實(shí)驗(yàn)應(yīng)力下,保持溫度為190 ℃,經(jīng)蠕變時(shí)效4、8、12和16 h后,對(duì)試樣進(jìn)行室溫拉伸力學(xué)性能檢測(cè)。其結(jié)果如表2所列。由表2可以看出,在同一蠕變時(shí)效時(shí)間下,隨著實(shí)驗(yàn)應(yīng)力的增加,合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均呈先增加后下降的趨勢(shì),其中抗拉強(qiáng)度的變化幅度遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度的變化幅度。這是由于應(yīng)力較大時(shí),隨著應(yīng)力的增大,基體發(fā)生部分塑性變形引起位錯(cuò)增值,為第二相形核提供了更多的場(chǎng)所,而第二相的數(shù)目增多使得合金的強(qiáng)度得以提高[14]。由表2還可以看出,在實(shí)驗(yàn)應(yīng)力為180 MPa、蠕變時(shí)效時(shí)間為12 h時(shí),合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到峰值,分別為431.86和343.9 MPa。而合金的伸長(zhǎng)率則在同一時(shí)效時(shí)間下隨著實(shí)驗(yàn)應(yīng)力的增加而下降,如時(shí)效時(shí)間都為12 h時(shí),當(dāng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力從140 MPa到210 MPa,伸長(zhǎng)率則從12.6%降到11.0%;在同一實(shí)驗(yàn)應(yīng)力下,隨著蠕變時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)也逐漸下降,如180 MPa實(shí)驗(yàn)應(yīng)力下,時(shí)效時(shí)間從4 h到16 h,伸長(zhǎng)率則從20%下降到10.8%。這是因?yàn)楫?dāng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力大到某一水平后,導(dǎo)致合金基體中位錯(cuò)數(shù)量過(guò)多,從而造成大量位錯(cuò)纏結(jié)在一起,最終形成包狀位錯(cuò)組織,胞壁處的位錯(cuò)密度高,胞內(nèi)的位錯(cuò)密度則很小。這樣導(dǎo)致第二相組織分布不均勻,而這種不均勻的第二相雖然提高了合金的屈服強(qiáng)度,但降低了塑性[15]。
表2 試樣蠕變后的室溫拉伸力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of samples treated by creep ageing
圖5(a)和(b)所示為無(wú)應(yīng)力作用下人工時(shí)效后2524鋁合金的TEM像。由圖5可知,合金中存在棒狀析出相,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[16],該棒狀相富含Mn,為T相(Al20Cu2Mn3),粒子尺寸為0.2~0.5 μm,這種相在均勻化和熱軋過(guò)程中形成,非常穩(wěn)定,在以后的熱處理過(guò)程中不會(huì)回溶[17]。合金內(nèi)的其他析出相在基體內(nèi)呈彌散分布狀態(tài),晶界上的析出相呈不連續(xù)分布狀態(tài),且無(wú)沉淀析出帶(PFZ)較寬。
圖5 2524鋁合金190 ℃蠕變時(shí)效后的TEM像Fig.5 TEM images of 2124 aluminum alloy creep-aged at 190 ℃∶ (a), (b)0 MPa, creep-aged for 12 h; (c), (d)180 MPa, creep-aged for 4 h; (e), (f)180 MPa, creep-aged for 12 h; (g), (h)180 MPa, creep-aged for 16 h
圖5(c)和(d)所示為在實(shí)驗(yàn)應(yīng)力180 MPa、時(shí)效溫度190 ℃、時(shí)效4 h后2524鋁合金的TEM像。由圖5可知,在實(shí)驗(yàn)應(yīng)力的作用下產(chǎn)生較多的位錯(cuò),從而為第二相的不均勻形核提供了形核位置;同時(shí),位錯(cuò)作為快速擴(kuò)散通道,有助于溶質(zhì)原子向不均勻形核質(zhì)點(diǎn)偏聚,從而促進(jìn)不均勻形核質(zhì)點(diǎn)的長(zhǎng)大。由圖5(c)可知,此時(shí)基體內(nèi)主要觀察到較多的桿狀和球狀的 S″相,這些是從高度飽和的固溶體中均勻形核的GP區(qū),但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)很明顯的析出相S′相,由圖5(d)看出,此時(shí)晶界處分布著較連續(xù)的析出相,這可能是桿狀的S″相,也有可能是新析出的S′相,這是因?yàn)榫Ы缣幠芰枯^高且原子活動(dòng)能力較大,易于形成新相[16]。
從圖5(e)中可以看出,初始的桿狀和球狀的S″相明顯減少,而針狀的S′相大量增加,為主要析出相,S′相尺寸較大且析出密度較大。此時(shí),從晶界的 TEM像可以發(fā)現(xiàn)(圖5(f)),晶界析出相為不連續(xù)分布的 S′相。在這一時(shí)效時(shí)間下,不同析出相的存在,有利于提高材料的強(qiáng)度。所以,在這一實(shí)驗(yàn)條件下,材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到了峰值。
隨著蠕變時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)(圖5(g)),晶內(nèi)細(xì)小針狀的S′相長(zhǎng)大為S平衡相,析出相尺寸增大,而且晶界的平衡析出相也聚集長(zhǎng)大不斷粗化,呈連續(xù)鏈狀分布,晶界附近又形成了較寬的無(wú)沉淀析出帶(圖5(h)),此時(shí),合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低,塑性下降,說(shuō)明合金已經(jīng)進(jìn)入過(guò)時(shí)效狀態(tài)。
1)同一時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間下,2524鋁合金的蠕變應(yīng)變量隨著實(shí)驗(yàn)應(yīng)力的增加而增加。在同一實(shí)驗(yàn)條件下,其蠕變應(yīng)變量遠(yuǎn)大于2124鋁合金的,表現(xiàn)出較為優(yōu)異的蠕變性能。
2)在 190 ℃、0~180 MPa、同一時(shí)效時(shí)間下,2524鋁合金的硬度(HV)、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均隨實(shí)驗(yàn)應(yīng)力的增加而增加,2524合金在190 ℃溫度下的峰值工藝條件為180 MPa、12 h。此時(shí),合金的硬度為176HV,抗拉強(qiáng)度為431.86 MPa,屈服強(qiáng)度為343.9 MPa,伸長(zhǎng)率為11.5%。
3)在同一溫度下,實(shí)驗(yàn)應(yīng)力和時(shí)效時(shí)間都是影響2524鋁合金力學(xué)性能的重要工藝條件;通過(guò)微觀組織分析發(fā)現(xiàn),沉淀相S′和S″的尺寸和分布密度對(duì)合金的硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)都有重要影響,時(shí)效時(shí)間從4到12 h時(shí),基體中的主要析出相由桿狀和球狀的S″相變成針狀的S′相。
4)在190 ℃下,2524鋁合金的穩(wěn)態(tài)蠕變速率和試驗(yàn)應(yīng)力之間的本構(gòu)關(guān)系可以表示為
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